УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА Российский патент 1997 года по МПК F28F1/08 

Изобретение относится к области интенсификации конвективного теплообмена и к конструктивным элементам теплообменников и может быть использовано для повышения эффективности обменных процессов между теплоносителями и следовательно, для создания компактных теплообменных аппаратов различного технического назначения: в системах отопления и горячего водоснабжения, в химическом и нефтехимическом производствах, в теплоэнергетике, хладотехнике и так далее.

Известно, что интенсификация конвективного теплообмена достигается за счет турбулизации пристенных слоев потока при нанесении на теплообменную поверхность искусственной шероховатости; за счет поперечного обтекания системы расположенных на наружной поверхности трубы кольцевых выступов и образования системы вихрей в соответствующих этим выступам канавках (впадинах) на наружной поверхности той же трубы; за счет закрутки потока и др. [1,2,3]
Известны конструкции устройств для интенсификации конвективного теплообмена: пластины и трубы с искусственной шероховатостью поверхности; круглые трубы с системой периодически расположенных на наружной поверхности выступов и на внутренней поверхности соответствующих им впадин (канавок); круглые трубы, имеющие на входе завихрители различной конструкции, а также трубы с винтовым гофром, у которых в продольном сечении стенки ограничиваются пологими синусоидальными линиями, и др. [1,2,3]
Недостатком перечисленных устройств для интенсификации конвективного теплообмена является практическое отсутствие увеличения теплоотдачи при ламинарном режиме течения у шероховатой поверхности и при обтекании системы кольцевых впадин. При местной закрутке потока интенсификация теплоотдачи наблюдается лишь на начальном участке и при том за счет больших потерь давления, так как на входе в трубу закручивается весь поток. При течении жидкости или газа в трубе с винтовым гофром вследствие пологости синусоидальных линий, ограничивающих стенки в продольном сечении трубы, не достигается формирования такой структуры потока, которая приводила бы к значительному увеличению интенсивности теплоотдачи.

Перечисленные устройства, для интенсификации конвективного теплообмена не позволяет достичь компактности и малой массы созданных с их применением теплообменных аппаратов в ламинарной области течения теплоносителей при нанесении искусственной шероховатости или создании системы поперечно расположенных впадин и выступов; при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения в трубе с винтовым гофром, стенки которой в продольном сечении ограничены пологими синусоидальными линиями. При реализации местной закрутки потока к этому недостатку на всех режимах течения добавляются еще и большие гидравлические потери на перемещение теплоносителей, т.е. большие затраты энергии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является труба с винтовым гофром, стенки которой в продольном сечении ограничены пологими синусоидальными линиями [3] При течении в трубе такой конструкции поток движется не только поступательно вдоль оси трубы, но и закручивается, т.е. вектор его скорости в каждой точке имеет и тангенциальную составляющую. Недостатком ближайшего аналога является незначительная интенсификация конвективного теплообмена именно вследствие пологости синусоидальных линий, ограничивающих стенки трубы в ее продольном сечении, так как это приводит к малым величинам тангенциальной циркуляции движущейся среды и к невозможности возникновения вихрей во внешних и внутренних впадинах на стенке трубы, благоприятных для интенсификации теплоотдачи при умеренном увеличении гидравлических потерь.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для увеличения теплосъема с единицы площади теплообменной поверхности при умеренном возрастании гидравлических потерь во всех режимах течения ламинарном, переходном и турбулентном.

Задача решается за счет устройства, которое представляет собой трубу с постоянным круговым поперечным сечением и винтовой волнообразной поверхностью, стенки которой, в отличие от ближайшего аналога, в продольном сечении ограничиваются не пологими синусоидальными линиями, а линиями, составленными из дуг окружности и прямых. Отметим, что на синусоидальной кривой нет ни участков в виде дуг окружности, ни прямолинейных участков (выражаясь строго математически, ни один из участков синусоиды не конгруэнтен ни с дугой окружности, ни с отрезком прямой). В отличие от ближайшего аналога в предполагаемом изобретении форма линии, ограничивающей стенки трубы в продольном ее сечении, обеспечивает возникновение в движущейся среде, во-первых, тангенциальной циркуляции значительной величины и, во-вторых, системы вихрей на участках профиля, представляющих собой дуги окружности-впадины.

На фиг. 1 изображен продольный разрез трубы с постоянным круговым поперечным сечением и винтовой волнообразной поверхностью, стенки которой в продольном сечении ограничены линиями, составленными из дуг окружности и прямых, а на фиг. 2 отдельно изображена линия, ограничивающая стенки трубы в продольном ее сечении.

На фиг. 1 обозначены: D наружный диаметр трубы; R₁ и R₂ - радиусы выступов и впадин; t шаг между двумя соседними выступами; β угол наклона винтовой линии к оси трубы b = t/πD. Конкретные значения величин D, R₁, R₂, t не приводятся, т. к. их совокупность составляет "ноу-хау" предполагаемого изобретения.

Линия, ограничивающая стенки заявленной трубы в продольном ее сечении, в плоскости XOY описывается уравнением

где y ордината;
x_* аргумент для y, равный произведению шага винта t на дробную часть отношения модуля абсциссы x, отсчитанной от самой нижней точки дуги окружности любой впадины, к величине t, т.е. ,


Отметим, что величины радиусов R₁ и R₂ отличаются в определенное число раз и что именно сочетание конкретных размеров R₁, R₂, a и t а также диаметра трубы D, обеспечивающее высокую интенсификацию конвективного теплообмена в трубе при умеренном росте гидравлического сопротивления, является предметом "ноу-хау".

Увеличение вращательного движения пристенной части потока при наличии в ней системы вихрей приводит к интенсификации теплообмена при умеренном росте гидравлического сопротивления.

Тепловая и гидравлическая эффективность предложенного устройства для интенсификации теплообмена подтверждена проведенными авторами опытами в лабораторных условиях на одиночной трубе и в системе горячего водоснабжения одного из микрорайонов г. Уфы на созданном ими промышленном теплообменнике. Последнее подтверждено актом его испытаний, утвержденным представителями АО Башрикэнерго и Уфимского предприяти тепловых сетей, копия которого прилагается.

Таким образом, предполагаемое изобретение обеспечивает высокий уровень интенсификации конвективного теплообмена во всех режимах течения теплоносителя (ламинарном, переходном и турбулентном) в реализующем его устройстве при умеренном росте гидравлического сопротивления.

Использование: в теплотехнике в теплообменных устройствах. Сущность изобретения: в устройство введено круговое поперечное сечение трубы, имеющей винтовую волнообразную поверхность, ограниченную в продольном сечении трубы линией, составленной из дуг окружности и прямых. 1 з.п. ф-лы 2 ил.

Устройство для интенсификации конвективного теплообмена при течении жидкости (газа) в каналах с использованием гидродинамических эффектов, содержащее трубу с постоянным круговым сечением и винтовой волнообразной поверхностью, отличающееся тем, что в продольном сечении винтовой волнообразной поверхности стенки ограничены линией, составленной из дуг окружности и отрезков прямой, уравнение которой в плоскости XOY таково

где y ордината; x_* аргумент для y, равный произведению величины t на дробную часть отношения модуля абсциссы x, отсчитанной от самой нижней точки дуги окружности любой впадины, к t, т.е.



где R₁ и R₂ радиусы выступов и впадин;
t шаг винта;
b ордината центра дуги окружности впадины в плоскости XOY;
a расстояние между центрами дуг окружности впадины и выступа вдоль оси OY.